CN1523208A - 内燃机高效节能冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机高效节能冷却系统，为解决现有冷却系统的冷却效果取决于内燃机转速的问题而设计。本发明冷却系统包括有冷却水箱和冷却风扇，冷却水箱通过循环管路接内燃机，在循环管路中接有循环水泵，在冷却水箱前部设有冷却风扇。其关键是去掉原有冷却系统中的皮带传动机构，将循环水泵和冷却风扇从内燃机体上分离开来，将循环水泵和冷却风扇改由各自附带的电机驱动，并对该两电机进行数控无级调速控制。不论内燃机的转速高低和运转与否，均可对循环水泵和冷却风扇进行独立调节，以实现冷却工作与内燃机运行状态的最佳配合。

Description

内燃机高效节能冷却系统

技术领域

本发明涉及一种内燃机的冷却，具体地说是一种内燃机高效节能冷却系统。

背景技术

一般车用内燃机(或称发动机)的冷却系统主要包括有液体冷却的冷却水箱和空气冷却的冷却风扇。冷却水箱通过循环管路接内燃机，在循环管路中接有循环水泵。在冷却水箱的前部设置有冷却风扇。循环水泵和冷却风扇均是通过同一个皮带传动机构与发动机的曲轴相接，由发动机带动，实现同步工作。当发动机处于高转速时，曲轴转速快，循环水泵和冷却风扇的转速也快。从而使循环冷却水的流速加快，冷却风量加大，冷却系统的冷却效果就好。反之，当发动机运行在低速时，则冷却水的流速变缓，冷却风量减弱，冷却系统的冷却效果就差。也就是说，不论内燃机运行在何种环境温度和散热条件下，冷却系统的冷却运行模式都是一成不变的，冷却效果取决于发动机的转速。

为改变冷却系统这种不尽合理的冷却模式，人们在内燃机冷却系统中加装了节温阀和冷却风扇温控离合器等部件，以在环境温度很低时，停止冷却风扇的运转，或者降低循环冷却水的流速，从而减弱冷却系统的冷却效果，使内燃机保持一定的工作温度。这种改进方式可从一定程度上实现内燃机的温度调节和适量的节能，但冷却系统总体上仍然是一个联动机构，只要发动机一经启动，整个冷却系统即投入运行，带动这部分运转的能量消耗也就随之产生。尤其是在环境温度较高、而发动机又工作在低速大负荷输出的情况下，尽管发动机的转速不高，但其发热量却很大。而此时由同一皮带传动机构带动的循环水泵和冷却风扇的转速却不高，冷却系统的冷却能力很差。这时发动机将很快过热停机，但此时循环水泵和冷却风扇也就同时停止了运转，冷却系统不能将发动机过高的热量带走，从而既不能使发动机正常工作，又给发动机带来了故障隐患。另外，在冬季的寒冷地区行车，内燃机仅需适度的散热或者不需散热而要保温运行。而现有的内燃机冷却系统，由于其上述的结构缺陷，则不能满足这一要求，即只要发动机运转，冷却系统就持续工作。

目前在一些小型发动机的冷却系统中，安装有一种独立的电风扇冷却装置。该电风扇的供风能力是依冷却系统的最大冷却能力而设定，其启停设置是依循环水的水温设定。即当水温上升到某一温度值时，电风扇启动，开始全力恒速工作；当循环水温降至某一温度时，电风扇停转，仅由循环水泵通过冷却水箱对发动机进行冷却。这种冷却系统由于冷却风扇是按温度段分时工作的，因而可实现部分节能。但由于电风扇是恒速分时工作的，冷却循环水的水温也就只能是在发动机的最佳工作温度点上上下波动，因而无法保证发动机在最佳工作温度点上的稳定持续运行。并且由于电风扇的运行工作方式是依最大冷却能力设定的，这也就相应地加大了工作能耗和发动机的工作负荷。另外，这种冷却系统中的循环水泵也存在与上述结构相同的工作缺陷。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可依据内燃机的工况和环境温度条件来工作的内燃机高效节能冷却系统，以减少冷却系统的能量消耗，实现内燃机在各种工况条件下的正常工作。

本发明是这样实现的：内燃机冷却系统仍然包括有冷却水箱和冷却风扇，冷却水箱通过循环管路接内燃机，在循环管路中接有循环水泵，在冷却水箱的前部设置有冷却风扇。本发明的关键点就是去掉原有冷却系统中的皮带传动机构，将循环水泵和冷却风扇从内燃机体上分离开来，再将循环水泵和冷却风扇改由各自附带的电机驱动，并对该两电机进行数控无级调速控制。

通过将循环水泵和冷却风扇的运行与内燃机相分离，则不论内燃机的转速高低和运转与否，循环水泵和冷却风扇均可进行独立的调节，从而在内燃机不同的运行状态和环境温度条件下，均可实现冷却工作与内燃机运行状态的最佳配合。即当内燃机工作在低速大负荷输出且环境温度很高的情况下，尽管内燃机转速不高，发热量很大，但循环水泵和冷却风扇均可加速运行，提高了冷却系统的冷却效果，使内燃机尽快散热，避免了内燃机因过热引发故障而停机的现象出现。当在冬季寒冷地区行车时，可使冷却风扇和循环水泵的转速降低直至停机，以不过多散热。这样就可以使内燃机达到适度散热或者在保温状态下运行，从而避免了内燃机在低温工况下增加的耗油量。

由于本冷却系统的运行与内燃机相分离，并且仅在内燃机的运行需要时，才投入运行和适量散热，因此可以节省相当的运行能量消耗，达到了节能的目的。

本发明可以使内燃机冷却系统中的循环水泵和冷却风扇实现无级调速运行，以准确调节冷却水的循环量和送风量，从而最大限度地缓解和缩小了冷却循环水的水温波动幅度，使内燃机可以稳定工作在最佳工作温度点上。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的系统程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，冷却水箱4和其前部的冷却风扇2为本冷却系统的两个主要散热机构。冷却水箱4上部的进水口通过循环管路51与内燃机3上的出水口31相连通。冷却水箱4下部的出水口连接循环管路53后接循环水泵1。在循环水泵1和内燃机3的进水口32之间连接有循环管路52，其中的循环水泵1和冷却风扇2均为由电机驱动的电动水泵和电动风扇。

为实现对内燃机3的准确散热，循环水泵1和冷却风扇2的两台驱动电机共用一个数控调速控制系统。数控调速控制系统可采用常规的单片机调速控制系统。这样，在同一个调速控制系统控制下，可对风扇电机和水泵电机进行二者兼顾的准确无级调速，以使循环水泵1提供适当的冷却水循环流量，使冷却风扇2提供准确的散热风量，从而保证了内燃机在最佳工作温度点上的稳定工作，使内燃机达到最佳的工作效率。两台驱动电机由同一调速控制系统进行控制，还可以简化控制程序，如给定一个水泵电机的转速，以调整风扇电机的转速；或者是给定一个风扇电机的转速，以调整水泵电机的转速。

在本发明中，在内燃机3的机体上和内燃机冷却水的进水口32上，分别装有向数控调速控制系统传输温度信号的温度传感器。这样调速控制系统就可直接根据冷却循环水的温度变化，及时准确地调整水泵电机或风扇电机的转速，从而使冷却系统的冷却工作更加精确。

本发明的工作过程(结合图2)是为样的：开始工作后，首先进行系统自检和网络连接检查。如三次不正常，则报警。如果正常，则通过机体上的温度传感器检测内燃机的机体温度(该温度为内燃机的实际工作温度)，看其是否超过某个设定值(该设定值为所对应内燃机的最佳工作温度值)。在未超过这个温度值以前，整个冷却系统不工作。此时，内燃机可能是运行在低温环境下的保温工作状态。当超过设定温度值后，启动循环水泵1，冷却水箱4开始散热，内燃机进水口上的温度传感器为调速控制系统提供工作参数。如果内燃机工作环境温度较低或者冷却条件较好(如在冬季行车)，则循环水泵1只需进行低速工作即可。如果内燃机3的机体温度上升，则可提高循环水泵1的转速，加大循环流量，使内燃机稳定工作在最佳温度点。如果温度继续上升，超过了限定的温度值，则启动冷却风扇2，并根据水温调整风扇电机的转速，使内燃机保持在正常的工作状态。一旦机体温度过热，超过限定温度值后，一方面调速控制系统会发出超温报警，内燃机则因过热而停机；另一方面冷却系统还可以继续循环工作，并以最大工作能力进行散热，使内燃机尽快降温，以消除因高温过热给内燃机带来的故障隐患。

在本发明中，内燃机冷却液的更换也是十分方便的，即只要启动循环水泵即可，而无需启动内燃机。此时，循环水泵的高速工作，还可以清洗冷却系统内的沉积物，以保障冷却系统的换热效率。本发明中的散热水箱由于不必与内燃机一体化，因而可根据车上的位置空间而设置，以利于噪声控制和产热区的控制。

在某种130KW的柴油发动机汽车上，其循环水泵的功耗为3KW，冷却风扇的功耗为6-7KW。由于发动机一经启动，循环水泵和冷却风扇的功耗就一直存在，再加上传动皮带的损耗，这部分的能耗是十分显著的。采用本发明后，电动水泵的功耗最大为250W，电动风扇的功耗最大为500W，电机调速控制系统的功耗仅为10W。由此可见，采用本发明后，冷却系统在最大冷却工作状态下的功耗，还不及原有冷却系统的十分之一，因而节能效果是十分显著的。取消循环水泵和冷却风扇的皮带传动后，内燃机的轴向长度还可缩短至少120mm，这对于汽车的改进设计，有着重要的意义。

本发明中的两个驱动电机，可选用稀土永磁无刷电动机。它具有体积小、重量轻、效率高、耗电低、调速特性好和过载能力大等特点。一旦冷却系统超负荷工作，这种电动机可在过载一倍以上的条件下，稳定工作一定时间。相应地就是使冷却系统的冷却能力扩大了许多，这就为减少冷却水箱的容量和体积带来了可能，从而可减少整个冷却系统的重量和体积。

在现有的内燃机冷却风扇传动皮带上，还带动有一台发电机。采用本发明取消冷却风扇的传动皮带后，发电机可通过另设的传动机构与内燃机曲轴相接；也可直接取消原发电机，将原有内燃机的起动机改成起动发电机，并在原起动机的位置上安装和使用，以分时完成起动内燃机和发电这两项任务，保证内燃机的正常运行。

Claims (3)

1、一种内燃机高效节能冷却系统，冷却水箱(4)通过循环管路接内燃机(3)，在循环管路中接有循环水泵(1)，在冷却水箱(4)的前部设有冷却风扇(2)，其特征在于循环水泵(1)和冷却风扇(2)由各自附带的电机驱动。

2、根据权利要求1所述的内燃机高效节能冷却系统，其特征在于循环水泵(1)和冷却风扇(2)的两台驱动电机共用一个数控调速控制系统。

3、根据权利要求2所述的内燃机高效节能冷却系统，其特征在于在内燃机(3)的机体上和内燃机冷却水的进水口上，分别装有向数控调速控制系统传输温度信号的温度传感器。

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